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(1.東北大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 沈陽　110819； 2.杭州汽輪動力集團有限公司， 浙江 杭州　310022)

引言

羅茨真空泵(以下簡稱“羅茨泵”)是工業(yè)生產中被廣泛使用的機械設備，在企業(yè)中的生產任務繁重，目前國內使用的真空泵故障率都比較高。由于泵體內轉子運轉的連續(xù)性和機箱內機械結構復雜性、非線性和不確定性因素較多，其在運行過程中經常會出現(xiàn)振動超標的問題，機組損壞事故也時有發(fā)生，給國家和企業(yè)帶來巨大損失。為了減少該類設備的故障和降低損失，需要對真空泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷分析。振動分析是工程中常用的技術手段，利用該技術可準確獲取泵體上各部位的振動信號，并進行實時采集與記錄，通過預先編制的故障診斷程序，可以有效排除故障隱患，防止設備故障和意外事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的商用化軟件雖然能夠對羅茨泵振動故障進行診斷，但其面向的診斷對象太廣，缺乏針對性；再加上成本較高等因素的影響，在實際應用中受到了很大的制約。由此可見，開發(fā)針對羅茨泵的相應的振動故障診斷軟件具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。

虛擬儀器技術利用其高性能的硬件模塊，并結合靈活的軟件編寫模塊能夠完成各種振動測試、在線監(jiān)測、故障診斷任務。本研究正是利用了虛擬儀器技術的優(yōu)點，首先對羅茨泵常見振動故障進行了詳細的分析；然后，對相關采集及測量所需的硬件進行了組配，并基于LabVIEW平臺，開發(fā)了一套向導式振動故障診斷軟件；最后，利用該軟件對某公司生產的羅茨泵進行了現(xiàn)場測試與診斷。軟件的各項功能很好地滿足了故障診斷的要求，進而驗證了該軟件系統(tǒng)的可靠性和實用性。

1　羅茨泵常見振動故障及診斷方法

羅茨泵機組在高速運轉情況時，其內部的機械部件會承受較大的載荷，經常會出現(xiàn)振動超標的情況，加速了零件的磨損，降低了使用壽命。羅茨泵的振動故障主要來源于轉子、齒輪、軸承和電機的高速運轉等。

羅茨泵內裝有兩個相反方向同步旋轉的葉形轉子，其轉子與轉子之間、轉子與泵殼之間互不接觸。由于加工和安裝過程中的誤差、使用過程中的磨損等使機組運行過程中，轉子中心慣性軸偏離其旋轉軸線，使轉子旋轉過程中產生不平衡力，容易發(fā)生轉子磨碰的現(xiàn)象：包括轉子與轉子、轉子與泵體和轉子與側蓋的碰撞故障，另外軸的剛度不足，運行中不對中、熱彎曲等的影響也會使轉子發(fā)生碰摩故障。

其次，齒輪箱內兩轉子同步轉動的同步齒輪也是故障的高發(fā)部位，除齒輪本身加工精度和裝配過程中的偏心平行度差等原因，主要是嚙合的齒輪對或齒輪組在傳動時，由于相互的碰撞或摩擦激起齒輪體振動，產生的振動通過軸和軸承的傳遞作用又會產生軸承摩擦等。另外，真空泵泵體或者其他結構與轉子系統(tǒng)旋轉頻率相近時產生的共振、軸承的潤滑不好等都是羅茨泵的主要故障。

依據羅茨泵體的上述主要故障，對羅茨泵進行振動分析是最主要的故障分析與診斷的方法，采用信號采集—信號分析與處理—故障識別和判斷—解決故障的流程，對羅茨泵振動信號采集并通過頻譜分析等，判斷泵體的故障并解決故障。表1給出了其常見的振動故障及診斷方法。

表1　羅茨泵常見振動故障和診斷方法

2　基于LabVIEW的羅茨泵故障診斷系統(tǒng)

2.1　故障診斷系統(tǒng)的硬件組配

首先，為了實現(xiàn)羅茨泵振動故障診斷軟件系統(tǒng)的開發(fā)，需要組配振動監(jiān)測所需的相關硬件，對振動信號進行實時采集與記錄。所組配的故障診斷系統(tǒng)的相關硬件主要包括NI USB4431數(shù)據采集卡和B&K4508振動傳感器，故障診斷系統(tǒng)的硬件組配如圖1所示。

圖1　故障診斷系統(tǒng)的硬件組配示意圖

2.2　故障診斷系統(tǒng)軟件的開發(fā)及其功能介紹

針對羅茨泵常見的振動故障，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)需要滿足以下功能：

(1) 能根據測試要求設置不同參數(shù)，測試不同的物理量，并能保存設置參數(shù)；

(2) 能準確顯示泵體各個部位振動信號，能在線示波和進行時域、頻域信號分析等；

(3) 能設置不同的采集參數(shù)，對振動信號進行監(jiān)視和數(shù)據保存；

(4) 對信號進行回放和后處理，提供時頻域分析，例如繪制三維瀑布圖、頻響函數(shù)估計，相干、互相關分析等。

圖2給出了故障診斷軟件系統(tǒng)的功能圖，根據向導式的開發(fā)思路，將其分為四大模塊，各個功能模塊可以在使用時被調用，不用時則釋放內存空間。這樣可以大大降低程序的復雜性，使程序運行更加流暢。四大模塊分別為：

(1) 文件瀏覽，讀取數(shù)據文件，進行信號回放和信號處理；

(2) 通道設置，對采集卡通道的參數(shù)進行設置；

(3) 信號示波，從時域和頻域觀察所有信號；

(4) 數(shù)據采集，在線監(jiān)視并采集信號，并保存成文件。每個模塊分別對應多項功能，用戶可以根據測試與分析的實際需求任意地切換操作界面。

所開發(fā)的軟件系統(tǒng)的具體功能如下：

(1) 參數(shù)多樣化設置。本軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)3種參數(shù)設置功能，通過LabVIEW中串口通信功能，實現(xiàn)了對系統(tǒng)硬件采集卡和振動傳感器參數(shù)的自動監(jiān)測與輸入功能； 軟件也能夠實現(xiàn)對之前保存的參數(shù)設置文件進行讀取，導出其中參數(shù)文件信息并且自動完成參數(shù)輸入；也可完成最基本的手動輸入參數(shù)。

圖2　故障診斷軟件系統(tǒng)的功能圖

(2) 數(shù)據采集時域和頻域同時監(jiān)測。軟件可實現(xiàn)1～8個窗口定制，每個窗口可分別定義其分析功能，使程序采集時能夠從時域和頻域同時觀察波形。采集參數(shù)設置包括分析帶寬、頻率分辨率等。頭文件和數(shù)據寫入同一文件之中，保存數(shù)據時能夠將本次采集的所有設置參數(shù)和數(shù)據一起寫入文本文件，每通道一個文件，并以“采集時間—測點—測試方向”來命名本通道數(shù)據。保存文本數(shù)據能夠直接打開文件查看參數(shù)和數(shù)據，同時方便了后處理功能中采樣率、測點等參數(shù)直接讀取利用，數(shù)據采集窗口如圖3所示。

(3) 基于文件瀏覽器的后處理功能。系統(tǒng)自帶有Windows一樣的文件瀏覽器，方便快速查看數(shù)據文件，通過文件瀏覽器列表框屬性拖拽和事件結構獲取拖拽功能相結合，實現(xiàn)從文件瀏覽器內把文件拖拽到窗口即可對數(shù)據文件的讀取并顯示，避免了每次選擇文件的繁瑣?？啥ㄖ?個窗口一次可同時時查看8組數(shù)據。 軟件有完善的后處理功能，可以對采集的數(shù)據進行多種分析功能，瀑布圖、軸心軌跡、時域統(tǒng)計參量、倍頻程等，文件瀏覽界面如圖3所示。

(4) 窗口模式定制及窗口數(shù)據分析功能定制?；诓ㄐ螆D控件的運行時菜單屬性，編輯相應的菜單和事件結構相結合，來定義不同的分析功能，如頻譜分析、概率統(tǒng)計、峰值檢測、收數(shù)列表、截取波形、自相關、自功率譜等，選中相應數(shù)據波形，單擊鼠標右鍵可選擇不同的數(shù)據處理分析方式，如圖3所示。能夠完成對一組數(shù)據的8種分析功能的同時顯示，也可實現(xiàn)8組數(shù)據8個窗口的同時查看。

(5) 故障診斷功能。文件瀏覽中具有初步的故障診斷功能，通過時頻域分析的結果提取信號的主要特征值，與預先給定的某種判定標準進行比較，根據實測的振值是否超出了標準給出的界限來判斷泵體是否出現(xiàn)了故障，然后與軟件故障診斷功能中儲存的羅茨泵泵體各個部位的典型故障特征進行對比，則軟件會根據其計算出的相似度，判斷出與被測信號特征最接近的故障，并且提供解決故障的措施。

圖3　軟件信號采集界面和文件瀏覽界面示意圖

3　羅茨泵振動故障診斷實例

利用所開發(fā)的羅茨泵振動故障診斷軟件系統(tǒng)對某公司生產的有故障的真空泵進行了現(xiàn)場測試與故障診斷，找出了故障所在并提出了相應的改進方案。同時，根據真空泵故障前后的對比，驗證了該系統(tǒng)的正確性和可靠性。

3.1　測試對象及測試步驟

某公司生產的羅茨泵機組如圖4所示，真空泵分上泵和下泵兩部分。其主要技術參數(shù)如表2所示。

圖4　羅茨真空泵示意圖

內容技術參數(shù)型號JGH-1800A抽速/m3·h-11800極限壓力/Pa2×10-1轉速/r·min-13500重量/kg510外形尺寸/mm1080×480×900

對其進行振動故障測試時，可分為以下幾個測試步驟：

(1) 首先連接測試系統(tǒng)，在上泵體布置測點1、測點2、測點3和測點4(如圖5所示)，測試方向均為—Z方向，貼好傳感器；

(2) 然后在上泵4800 r/min，下泵3600 r/min，1800 m3/h抽速下(簡稱工況1)，對真空泵進行振動測試，持續(xù)30 s，以確定泵體振動的主要位置和峰值頻率；

(3) 在下泵3600 r/min(60 Hz)，上泵0～6000 r/min(簡稱工況2)掃頻，進行振動測試，確定其頻帶范圍和振動的主要頻率，并分析其頻譜特征；

(4) 在下泵3600 r/min(60 Hz)，對上泵進行0～6000 r/min(簡稱工況3)重新布置泵體測點做掃頻振動測試，并對其進行頻譜分析，初步確定其故障問題；

(5) 重復第二步和第三步，并對其進行靜態(tài)固有頻率測試(簡稱工況4)，通過發(fā)現(xiàn)的問題繼續(xù)布置不同的測點進行上述測試，進一步找出和確認機組故障，并提供解決辦法。

圖5　上泵體測點布置示意圖

3.2　測試結果及故障診斷分析

(1) 軸承故障診斷結果

在靠近被測軸承的承載區(qū)布置測點，測試軸承內圈部位，圖6給出了測點21關于問題軸承(軸承型號6008/C4)在工況2下的振動頻譜，根據軸承內圈故障頻率特征公式(1)計算可得f為720 Hz，頻譜圖中內圈故障特征頻率為706 Hz，由于存在丟轉現(xiàn)象，n達不到理論的6000 r/min，兩者基本吻合，可確定故障原因為內圈缺陷引起。圖7為更換新軸承后的頻譜圖，可見振動明顯減弱。

f=(D+dcosα)nZ/(120)D

(1)

式中，D為滾子中心圓直徑，d為滾子直徑，n為轉速，Z為滾子數(shù)，a為接觸角。

圖6　工況2時測點1獲得的問題軸承的頻譜圖

圖7　工況2時測點1獲得的改進后軸承的頻譜圖

(2) 轉子不對中和共振故障診斷結果

圖8給出了工況1時測試獲得的振動頻譜圖，可得知1，2，3，4，5倍頻處均有峰值，其中二倍頻明顯大于其他，是一倍頻的三倍多，可能是存在平行不對中，初步確定一倍頻是由于轉子動平衡產生，二倍頻是由于聯(lián)軸器對中不好引起。800～900 Hz處的頻率峰值可能是由于共振引起，下面進一步確認。

圖8　工況1時測點2獲得不對中和共振對應的振動頻譜圖

有頻率測試結果。由此可以確定860 Hz左右為共振頻率。

然后選取靠近齒輪箱處位置布置測點9升頻至100 Hz時測試機組振動，可見在泵體850 Hz左右出現(xiàn)較大的共振峰值，如圖9所示，圖10為機組為了解決機組共振問題，在上泵與下泵連接處加一個支撐，如圖11所示，從而轉移了該峰值頻率。增加支撐后的振動頻譜如圖12所示，可見共振故障消失。

圖9　工況3(100 Hz)穩(wěn)定工作時測點1獲得的振動頻譜圖

圖10　工況4時獲得的固有頻率圖

4　結論

基于LabVIEW平臺開發(fā)了關于羅茨泵的一套全新的向導式工程振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。通過軟件系統(tǒng)對真空泵進行了現(xiàn)場測試，根據測試結果確定了真空泵的故障，并提出了故障解決的措施，成功地消除了故障，從而驗證了該軟件的實用性和有效性，系統(tǒng)最大特點是多樣化多參數(shù)設置，多功能數(shù)據采集與實時監(jiān)測和功能強大的數(shù)據后處理功能，軟件操作簡單，功能完善，能夠廣泛地應用于各種機械設備的振動測試和故障診斷。

圖11　泵體改進措施示意圖

圖12　增加支撐后泵體的振動頻譜圖

參考文獻：

[1]Bilski P, Winiecki W. Virtual Spectrum Analyzer Based on Data Acquisition Card [J]. IEEE Transactions on Instrumentatiion and Measurement, 2002,51(1):70-88.

[2]吳正毅.測試技術與測試信號處理[M].北京：清華大學出版社, 1995.

[3]Bettiol A, Van Kan J A, Sum T C, et al. A LabVIEW TM-based Scanning and Control System for Proton Beam Micromachining [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2002,(181):45-55.

[4]楊忠仁，饒程，鄒建，等.基于LabVIEW數(shù)據采集系統(tǒng)[J].重慶大學學報：自然科學版，2004,27(2):32-35.

[5]黃永紅，王恒海，等.基于LabVIEW的溫度監(jiān)控與介電譜系統(tǒng)研制[J].儀器儀表學報，2008,29(7):1544-1547.

[6]李青霞，任焱，陳俊達.基于LabVIEW的振動自動測試與分析系統(tǒng)[J].振動與沖擊，2003,22(2):17-32.

[7]林凱，何川，毛樂山.基于LabVIEW的多通道振動測試與分析系統(tǒng)[J].清華大學學報：自然科學版，2003,43(5):659-661.

[8]Randall R B, Antoni J. Rolling Element Bearing Diagnostics-A Tutorial [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25(2): 485-520.